微机原理与应用课件

微机原理与接口技术

微机原理与接口技术

1微机

原理及接口

技术课程介绍典型机型：IBMPC系列机基本系统：8086CPU和半导体存储器I/O接口电路及与外设的连接硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法微机原理及接口技术课程介绍典型机型：IBMPC系列2课程目标微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计方法微型计算机接口技术建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力课程目标微型计算机的基本工作原理3学习解决问题的思路硬件系统设计注意事项，软件设计技巧电力系统中的应用各种设备、监控系统、控制系统进一步深造（学习方法更为重要）上位机软件、嵌入式软件（DSP、ARM）课程意义学习解决问题的思路课程意义4第1章微型计算机基础概论1.1微型计算机系统的发展1.2微型计算机系统的结构1.3微型计算机系统的硬件结构第1章微型计算机基础概论1.1微型计算机系统的发展5微型计算机系统的发展

1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）发展到以大规模集成电路为主要部件的第五代，产生了微型计算机；微型计算机自20世纪70年代问世以来伴随着微电子学的发展，按CPU的字长和功能划分，她大致经历了5代演变。微型计算机系统的发展1946年，世界上出现第一6计算机鼻祖——ENIAC计算机鼻祖——ENIAC7微型计算机代数划分准则：字长；频率基础：大规模集成电路技术的发展特征：密度工艺微型计算机的代数及划分微型计算机代数划分准则：字长；频率微型计算机的代数及划分8第一代(1971-1973,PMOS工艺，

2300晶体管，1MHz)：4位和8位低档微机以INTEL公司的4004、4040、8008微处理器组成的微机为代表。威廉.肖克利（1956年诺贝尔奖得主）摩尔及诺伊斯（

TraitorousEight）摩尔定律——哥创建的是1968的Intel造就了1969AMD（桑德斯）只有偏执狂才能生存（安迪.格鲁夫）第一代(1971-1973,PMOS工艺，2300晶体管，9第三代(1978-1984):16位微机(HMOS,29000只晶体管，5，8，10MHz)以8086、8088、80286、MC68000、Z800微处理器组成的微机为代表如IBMPC机系列第二代(1974-1978):8位中档微机（NMOS,4500晶体管,2MHz）以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的MC6800,

Zilog公司的Z80微处理器组成的微机为代表（费金）。如Apple-II微机第三代(1978-1984):16位微机(HMOS,29010第五代：64位微机Itanium、64位RISC微处理器芯片，酷睿（65nm）微机服务器、工程工作站、图形工作站四核Q,E系列、六核处理器X5680第四代(1985-至今):32位微机（CHOMS,27.5万只，120万只晶体管）。80386、80486、Pentium、PentiumII（亚微米CMOS）、PentiumIII（0.25微米）

、Pentium432位PC机、Macintosh机、PS/2机第五代：64位微机第四代(1985-至今):32位微机（C11第一代微机代表—40041971年，Intel开创微型计算机新纪元第一代微机代表—40041971年，Intel开创微型计算机12第二代微机代表—8080Bornin1974第二代微机代表—8080Bornin197413大树下面好乘凉—80881978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，一年后推出8088。大树下面好乘凉—80881978年，Intel公司首次生产出14第三代CPU领导核心—802861982年Intel推出了划时代的最新产品80286芯片PLCC封装（PlasticLeadedChipCarrier），CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。第三代CPU领导核心—802861982年Intel推出了划15哈勃：一个80486引发的血案1985年Intel推出了80386芯片,1989年，

Intel推出80486芯片，它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。哈勃：一个80486引发的血案1985年Intel推出了8016一颗奔腾的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采用PGA（PinGridArrayPackage，格栅阵列封装）封装方式。一颗奔腾的心Intel的第一代品牌CPU，Pentium，采1764位新纪元—Itanium2001年英特尔发布了Itanium(安腾)处理器。Itanium处理器是英特尔第一款64位元的产品，Itanium

2具有6.4GB/sec的系统总线带宽、高达3MB的L3缓存。

64位新纪元—Itanium2001年英特尔发布了Itani1832纳米的强人—X5680

首批采用32nm第二代高K金属栅极(HKMG)工艺制造的服务器和工作站芯片，集成11.7亿个晶体管，核心面积248平方毫米。六核心十二线程、主频3.33GHz、三级缓存12MB、QPI总线频率6.40GT/s、热设计功耗130W32纳米的强人—X5680

首批采用32nm第二代高K金属栅19内核照片—六核心

内核照片—六核心

20IBMPC系列机8088CPUIBMPC机IBMPC/AT机IBMPC/XT机IBMPC系列机8088CPUIBMPC机IBMPC/21Apple微型计算机Apple-IApple-IIApple微型计算机Apple-IApple-II22微型计算机系统的应用及意义用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：PC微机用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：单片机、工控机游戏2010年规模为21亿美元微型计算机系统的应用及意义用于数值计算、数据处理及信息管理方23微型计算机系统的结构冯.诺伊曼(JohnvonNeumann)结构：冯.诺伊曼提出的“存储程序”、“程序控制”的概念奠定了现代计算机结构的基础“存储程序”指将指令、数据以二进制形式存入计算机的存储器中。“程序控制”指计算机自动取出并执行存储器中的指令、完成预定的操作。哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构哈佛结构：微型计算机系统的结构冯.诺伊曼(JohnvonNeum24运算器进行算术和逻辑运算的部件（arithmeticlogicunit，简称ALU）控制器产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。存储器用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器或内存。微型计算机主要组成部分（1）运算器控制器存储器微型计算机主要组成部分（1）25微型计算机主要组成部分（2）输入设备

通过I/O接口将程序和数据输入内存。输出设备

CPU通过I/O接口将运行结果及程序、数据送到输出设备上。I/O接口是CPU与输入/输出设备进行数据交流的中介电路。微型计算机主要组成部分（2）输入设备26冯.诺依曼结构计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算器输出设备控制器输入设备存储器指令驱动指令流控制命令数据流冯.诺依曼结构计算机以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算27指令的执行过程1、指令地址赋给PC并发送到地址寄存器AR2、PC自动加13、AR->地址总线，选中相应单元4、CPU的控制器发出读命令5、地址中的指令读到数据总线上6、读出的内容

数据寄存器7、译码，指令寄存器IR,指令译码器ID指令的执行过程1、指令地址赋给PC并发送到地址寄存器A28几个主要概念的区别微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片微型计算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统一般的说法：微机、微型机微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统几个主要概念的区别微处理器（Microprocessor）29微机的主要指标(1)字长指参与运算的数的基本位数，它影响着计算机的计算精度和运算速度。计算机的字长取决于CPU的字长。微机的字长通常为4、8、16、32、64位。主存（内存）容量内存容量通常以字节(Byte)作为基本单位1byte=8bit（位）1T=240byte1KB=210byte1P=250byte1MB=220byte1GB=230byte运算速度以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标，计量单位为

MIPS（MillionInstructionPersecond

－每秒百万条指令）微机的主要指标(1)字长30微机的主要指标(2)内核数目即机器的主时钟频率，取决与微处理器的频率。高速缓存L1CacheL2CacheL3Cache微机的主要指标(2)内核数目31微机的主要指标(3)主频率即机器的主时钟频率，取决与微处理器的频率。平衡软件与硬件的平衡性能与价格的平衡应用与性能的平衡平均无故障时间超级计算机嵌入式系统微机的主要指标(3)主频率32星云超级计算机（工具or玩具）峰值达到每秒3000万亿次（3PFlops），Linpack达到1.27petaflop每秒钟可进行1270万亿次浮点运算光信息产业（北京）有限公司、中国科学院计算技术研究所、国家超级计算深圳中心共同研制核模拟、航母、大飞机、气象、超新星等等星云超级计算机（工具or玩具）峰值达到每秒3000万亿次（333星云超级计算机星云超级计算机34美洲豹超级计算机美洲豹超级计算机35微型计算机系统的硬件结构CPU存储器ROM存储器RAMI/O接口I/O设备地址总线(AB)数据总线(DB)控制总线(CB)微型计算机系统的硬件结构CPU存储器存储器I/OI/O地址总368086CPU的结构16位外部总线ΣALUAHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISICSDSSSESIP

内部暂存器154236运算暂存器标志寄存器EU控制单元ALU数据总线（16位）总线控制逻辑地址总线(20位)指令队列数据总线队列总线8位通用寄存器执行部件（EU）总线接口部件（BIU）8086CPU的结构16位外部总线ΣALUAH37微处理器微处理器（CPU）计算机的核心部件。它包括：算术逻辑部件（ALU）；累加器及通用寄存器组；程序计数器指令寄存器和指令译码器；时序和控制部件微处理器微处理器（CPU）38输入/输出接口串行接口输入接口并行接口

输出接口数字接口模拟接口数据缓冲寄存；信号电平或类型的转换；实现主机与外设间的运行匹配。输入/输出接口串行接口输入接口数字接口数据缓冲39总线连接CPU与存储器I/O接口的公共导线。采用总线结构是微型计算机的结构特点之一。总线可分为三类：地址总线（addressbus）它传输地址信息，用于寻址存储单元和I/O端口。用“AB”表示；数据总线（databus）用于传输数据。用“DB”表示；控制总线（controlbus)它向系统各部件发出（或接收）控制信号。用“CB”表示。总线连接CPU与存储器I/O接口的公共导线。采用总线40总线特征及分类特征：1、物理特征：总线物理连接的方式2、功能特征：总线的功能是什么3、电气特征：信号传递方向及有效电平范围4、时间特征：每根信号线在什么时间有效分类：内部总线元件级总线系统总线外部总线总线特征及分类特征：41内存储器的相关概念用来存储程序和数据（无论对谁来说,640K内存都足够了。”——比尔·盖茨(1981)）可分为只读存储器（